Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

Kommunikációs hálózatok 1, Fizika, Digitális technika, Kódolástechnika, Rendszerelmélet

A kötelező előtanulmányi rend az adott szak honlapján és képzési programjában található.

A tantárgy célja biztos elméleti és gyakorlati alapokat nyújtani a kommunikációs hálózatok, azokon belül is elsősorban a IP (Internet Protokoll) alapú hálózatok témaköréből. A tantárgy a Kommunikációs hálózatok 1. c. tantárgy szerves folytatása, a kettő együtt nyújtja a fenti cél eléréshez szükséges ismeretanyagot. Folytatva a Kommunikációs hálózatok 1 felülről-lefelé elvű felépítését, e tantárgy hallgatói megismerkedhetnek az adatkapcsolati és a fizikai réteggel. Ez tartalmazza a helyi hálózatok ismertetését, mind vezetékes (Ethernet) mind vezeték nélküli (WiFi, WLAN) példákon. E tantárgyhoz tartozik továbbá a mobilhálózatok ismertetése, különös tekintettel a 3G és 4G rendszerekre és a multimédia alkalmazások bemutatása, ideértve az IPTV-t és a beszédátvitelt. A félévet a hálózatmenedzsment témakörébe való betekintés zárja. A tantárgy célkitűzései között szerepel, hogy a vonatkozó szakiránytantárgyakhoz biztos alapokat nyújtson.

A tantárgyat sikeresen teljesítő hallgató:

• (K2) átlátja és érti az IP alapú hálózatok működését az alkalmazási rétegtől a fizikai rétegig – beleértve a hálózatok menedzsmentjét (K1) is. (Ezen ismeretek első felét a Kommunikációs hálózatok 1 tantárgyban szerezte meg).
• (K2) érti és átlátja a vezetékes és vezeték nélküli helyi hálózatok működését.
• (K2) átfogó alapismeretekkel rendelkezik a mobilhálózatok felépítéséről és működéséről
• (K2) érti a beszédátvitel során felmerülő problémákat, és azok megoldására alkalmazott technikákat (digitalizáció, minőségbiztosítás, alkalmazott protokollok, stb).
• (K3) ismeri a VoIP rendszerek szolgáltatásait, képes ilyen rendszereket konfigurálni, telefonközpont-szoftvert (Asterisk) konfigurálni, az ezzel kapcsolatos hibákat felismerni és megoldani
• (K3) érti az IPTV rendszerek működési elvét, főbb építőelemeit ismeri, képes a videófolyamok adatcsomagjait protokollanalizátor segítségével értelmezni, méréseket végezni a szolgáltatást jellemző főbb hálózati paraméterek és a szolgáltatásminőség meghatározásához
• (K2) képes egy valódi router-szoftver használatára, abban egyszerűbb konfigurációs változtatások létrehozására, egyszerűbb hálózati hibák felderítésére és javítására.

Az előadások tematikája:

1. hét

Bemutatkozás, a tantárgy céljainak és követelményeinek ismertetése. Motivációk a tárgyhoz. A Kommunikációs Hálózatok 1-ből tanultak összefoglalása. Bevezetés az adatkapcsolati rétegbe: a réteg által nyújtott szolgáltatások; a réteg implementációinak helye. Hibajavítás (hivatkozás a Kódolástechnika c. tárgyban tanultakra).

2. hét

Adatkapcsolati réteg: Többszörös hozzáférés: csatornafelosztás; véletlenszerű hozzáférési módszerek: Aloha, réselt Aloha, helyfoglaló Aloha, vivőérzékeléses többszörös hozzáférés (CSMA/CD). Körforgó rendszerű közeghozzáférési protokollok. Példa: DOCSIS, a kábeltelevíziós internet elérés adatkapcsolati rétege.

3. hét

Adatkapcsolati réteg: Kapcsolt helyi hálózatok. Címzés az adatkapcsolati rétegben: közeghozzáférési (MAC) címek. A címfeloldási protokoll (Address Resolution Protocol, ARP). Adatcsomag továbbítása alhálózaton kívülre.

4. hét

Adatkapcsolati réteg: Ethernet. Áttekintés, verziók. Ethernet keretstruktúra. Ethernet kapcsolók: működése, tulajdonságai, menedzsmentje. Kapcsolás és útvonalválasztás összehasonlítása. Virtuális helyi hálózatok (VLAN).

5. hét

Adatkapcsolati réteg: Link (adatkapcsolati összeköttetés) virtualizálás: a hálózat, mint adatkapcsolati réteg. Többprotokollos címkekapcsolás (Multiprotocol Label Switching, MPLS). Adatközpontokon belüli hálózatok. Adatkapcsolati réteg összefoglalás.

6. hét

Vezeték nélküli és mobil hálózatok. Áttekintés. Vezeték nélküli összeköttetések jellemzői. Kódosztásos többszörös hozzáférés (CDMA) bevezető. WiFi: IEEE 802.11 ajánlás szerinti vezeték nélküli helyi hálózatok: architektúra, frekvenciakiosztás, közeghozzáférés. A rejtett terminálok problémája. Keretszervezés. Kitekintés: Bluetooth és Zigbee.

7. hét

Vezeték nélküli és mobil hálózatok. Mobiltelefon rendszerek. Áttekintés, a cellás elv. A mobiltelefon rendszerek jellemzői, működése. Közeghozzáférés, hálózati architektúra, szolgáltatások, azonosítók, helyzetnyilvántartás, hívásátadás.

8. hét

A 3G mobil hálózatok az UMTS példáján. 3G architektúra. Duplexitás kezelés. Közeghozzáférés: kódosztásos többszörös hozzáférés (CDMA) a csatornázási és keverő kódolásban. Puha hívásátadás, teljesítményszabályozás, „cella légzés”. 3G és 4G közötti hálózatok: HSPA, HSPA+, HSPA+ Advanced.

9. hét

4G mobil hálózatok: LTE: Long Term Evolution: követelmények, közeghozzáférés, erőforrás-blokkok. Cellakapcitás. LTE architektúra, főbb protokollok. Beszédátvitel LTE felett. VoLTE. Kitekintés: az 5G mobilhálózatok.

10. hét

Analóg és digitális beszédátvitel. A beszédjel tulajdonságai. A beszédjel digitalizálása: a PCM kódoló. Alkalmazási példák: telefonos beszédátvitel, hifi minőségű digitális hangkódolás. Kitekintés: egyéb beszédkódolók. Next Generation Networks (NGN, „következő generációs hálózatok”) áttekintése.

11. hét

Beszédátvitel IP felett: Voice over IP, VoIP. A legjobb szándékú (best effort) továbbítás és az IP szolgáltatásminőség (QoS). A valósidejű adatátviteli protokoll (RTP): felépítése, működése és korlátai. A  Session Initiation Protocol (SIP) áttekintése.

12. hét

Multimédia hálózatok. Mozgóképek tulajdonságai. Multimédia hálózati alkalmazások típusai. Streaming UDP, HTTP felett. Tartalomelosztó hálózatok. IP Televízió (IPTV). IPTV és Internet-TV: hasonlóságok és különbségek. IPTV: fejállomás felépítése, a médiafolyam részletezése. MPEG-2 Transport Stream. H.264 kódolású adatfolyam felépítése. IPTV szolgáltatásminőség: mérése, fontosabb befolyásoló tényezők, minőségjavítási lehetőségek.

13. hét

Adatátvitel a fizikai rétegben. Jelek az idő- és frekvenciatartományban (áttekintő ismétlés). Sávszélesség és gyakorlati jelentősége az adatátvitelben. Vonali kódolások: követelmények, alkalmazási lehetőségek, példák. A kódolt jelek spektruma (áttekintés). Modulációk. Követelmények, működési elvek, tulajdonságok, példák. Vonali kódolás és moduláció összehasonlítása.

14. hét

Hálózatmenedzsment: követelmények, célok. A hálózatmenedzselési infrastruktúra. Az SNMP (Simple Network Management Protocol) rendszer.

A laboratóriumi foglalkozások tematikája:

1. mérés. Beszédátvitel IP felett (Voice over IP, VoIP). A laboratóriumi foglalkozás során a hallgató megismerkedik az IP feletti beszédátvitellel. Ehhez kapcsolódóan gyakorlatot szerez az alábbi témakörökben: IP alapú asztali és szoftveres telefonok, telefonos szolgáltatások, számítógép virtualizáció és a hálózati csomagelemzés. Minden hallgató egy virtualizált saját IP telefonközpontot is kipróbálhat.

2. mérés. IP Televízió (IPTV). A laboratóriumi foglalkozás célja, hogy a hallgatók megismerkedjenek az Internet Protocol Television (IPTV) technológia hálózati kontextusával, kiemelten fókuszálva a multicast alapú IP csomagtovábbításra és a szolgáltatásminőségi garanciák hálózati vonatkozásaira. A mérésen részt vevők megismerkednek a multicast IP átvitellel, az IPTV videófolyamok továbbítására alkalmazott módszerekkel és protokollokkal, valamint méréseket végeznek a szolgáltatást jellemző főbb hálózati paraméterek és a szolgáltatásminőség meghatározásához.

3. mérés. Ethernet és WiFi. A laboratóriumi mérés célja, hogy a hallgatók forgalmi vizsgálatokon keresztül a gyakorlatban is megismerkedjenek az Ethernet (IEEE 802.3) vezetékes és WiFi (IEEE 802.11) vezeték nélküli helyi hálózatok alapvető működési jellemzőivel. Az Ethernet protokollt protokollanalizátorral való vizsgálatát követően a résztvevő hallgatóknak lehetőségük nyílik dedikált WiFi bázisállomások konfigurációjára, a beállítások, paraméterek működésre gyakorolt hatásának megfigyelésére, miközben saját eszközeik (pl. mobiltelefon) felhasználásával is ellenőrizhetik a kapcsolati jellemzőket és az átvitelminőséget.

Előadás, laboratóriumi gyakorlat.

a.           A szorgalmi időszakban: Az aláírás feltétele az egy zárthelyi dolgozat legalább elégségesre teljesítése. Szintén kötelező az aláíráshoz az összes mérés (laborgyakorlat) legalább elégségesre teljesítése.

b.           A vizsgaidőszakban: írásbeli vizsga. A vizsgába 10% súllyal beleszámít a zárthelyin (vagy pótzárthelyin vagy aláíráspótló vizsgán) szerzett jegy, továbbá 5% súllyal beszámít a mérések átlaga.

c.           A zárthelyin megajánlott vizsgajegy szerzésére van a lehetőség (pótzárthelyin és aláíráspótló vizsgán nincs erre lehetőség). Ennek feltétele: a hallgató zárthelyi dolgozata kiváló szintű, és az összes mérést jeles érdemjeggyel elvégzi. A mérések elvégzése történhet a zárthelyi megírása után is.

d.    Az 1. és 2. mérések („Beszédátvitel IP felett”, „IP Televízió”) elvégzésének helye a kijelölt egyetemi laboratórium (ezek a továbbiakban: jelenléti mérések). A 3. mérés („Ethernet és WiFi”) otthonról végezendő el (ez a továbbiakban: távolléti mérés).

e.    A jelenléti mérésekre vonatkozó szabályok:

e/1.     A laboratóriumi foglalkozásokra előzetesen fel kell készülni a hallgatóknak. Ezt a mérésvezető a mérés elején ellenőrzi. Elégtelen felkészülés esetén mérés nem végezhető.

e/2.     A mérésvezető a mérés után értékeli a hallgató munkáját, melybe beleszámítanak az előzetes felkészülés ellenőrzésének az eredménye, a mérés során nyújtott teljesítmény, illetve az elkészített mérési jegyzőkönyv minősége.

e/3.      A laboratóriumi foglalkozásokra a félév elején megadott módon és határidőig lehet jelentkezni, ill. lejelentkezni. A feljelentkezett alkalomról való távolmaradás elégtelen laborgyakorlatnak minősül.

f.    A távolléti mérésre vonatkozó szabályok:

f/1.    A szükséges felkészülést követően a hallgató a félév elején kihirdetett határidőig (amely alapesetben a 10. oktatási hét vége) bármikor elvégezheti a mérést.

f/2.    Előre meghirdetett időben mérésvezető áll a hallgatók rendelkezésére, aki online megválaszolja a feltett kérdéseket.

f/3.    Az elkészült jegyzőkönyvet fel kell tölteni egy előre megadott helyre. A jegyzőkönyvet előre megadott időpontban személyesen is be kell mutatni, ekkor a mérésvezető kérdéseket tesz fel, mellyel meggyőződik arról, hogy a jegyzőkönyv a hallgató saját munkája-e. Mindezek alapján a mérésvezető leosztályozza a hallgató munkáját. Ha a hallgató nem jelenik meg a bemutatáson, vagy nem tud a feltett kérdésekre elégséges módon válaszolni, az adott mérés elégtelennek minősül. Az elégtelen távolléti mérés is beszámít a pótolható mérésekbe (összesen egy mérés pótolható, ld. 11. pont: Pótlási lehetőségek).

a.         Zárthelyit lehetséges pótolni egy alkalommal a tanulmányi időszakban (pótzárthelyi), illetve egy alkalommal a pótlási időszakban is (aláíráspótló vizsga). Az adatlap elkészítésekor érvényes TVSz szerint: „Az összegző teljesítményértékelések második pótlási és javítási lehetőségével akkor élhet a hallgató, ha a teljesítményértékelésen vagy annak első alkalommal meghirdetett pótlási vagy javítási lehetőségén részt vett.” E tárgy esetében tehát a hallgató akkor vehet részt az aláíráspótló vizsgán, ha vagy a zárthelyin, vagy a pótzárthelyin (vagy mindkettőn) részt vett.

b.         A laboratóriumi foglalkozásokból (jelenléti és távolléti együtt) összesen csak egyetlen pótolható. Ennek időpontja jelenléti mérés esetén a szorgalmi időszakban van, a meghirdetett laboratóriumi foglalkozások egyikén (tehát nincs külön alkalom a pótlásra; egy hagyományos mérésre kell eljönni). Távolléti mérés távollétben (otthon) pótolható a félév elején kihirdetett határidőig (amely alapesetben a 12. oktatási hét vége). A távolléti pótmérés ismételt bemutatási kötelezettséggel jár.

Előadások után bármikor, továbbá előzetes megbeszélés szerint más időpontban is.

• James F. Kurose - Keith W. Ross: Számítógép-hálózatok működése – Alkalmazásorientált megközelítés, Panem, 2009 (ISBN 9789635454983).
• Andrew S. Tanenbaum: Számítógép-hálózatok, Panem, 2013 (ISBN 9789635455294).
• Lencse Gábor: Számítógép hálózatok, Universitas-Győr Nonprofit Kft, Győr, 2008 (ISBN 9789039819153).

1. A tantárgy részét képező mérésekben emelt szintű többletfeladatok teljesíthetőek IMSc pontokért. 

2. A zárthelyin, azok pótlásain és a vizsgákon emelt szintű többletfeladatok teljesíthetőek IMSc pontokért.

3. Egyeztetett időpontban két további, önkéntesen választható, emelt szintű foglalkozást biztosítunk IMSc-s hallgatóknak, ahol a tárgy tematikájához kötődő, időszerű kutatási és fejlesztési problémákat és azok megoldásait ismertetjük. A foglalkozások során a hallgatók feladatokat is kapnak, melyek sikeres megoldása esetén IMSc pontok szerezhetők.

Legfeljebb 20 IMSc pont szerezhető hallgatónként az alábbiak szerint:

1. Sikeresen teljesített emelt szintű mérési feladatokért: max. 6 IMSc pont (három mérésen mérésenként 2 IMSc pont). Minden mérésen a többletfeladatokat csak akkor értékeljük, ha az összes többi feladat alapján jelest szerzett a hallgató az adott mérésen.

2. Az emelt szintű foglalkozások keretein belül kiadott feladatokért: max. 6 IMSc pont (két foglalkozáson foglalkozásonként 3 IMSc pont).

3. Sikeresen megoldott többletfeladat ZH-n (vagy a pótlásán): max. 4 IMSc pont. A többletfeladatokat csak akkor értékeljük, ha az összes többi feladat alapján jelest szerzett a hallgató az adott számonkérésen. Aki a ZH-n megajánlott vizsgajelest szerez, annak az IMSc feladatára adott pontot duplázzuk, hiszen nem kell, hogy vizsgát írjon. Ettől függetlenül dönthet úgy, hogy ír vizsgát, ekkor természetesen nem duplázzuk a pontokat.

4. Sikeresen megoldott többletfeladat vizsgán: max. 4 IMSc pont. A többletfeladatokat csak akkor értékeljük, ha az összes többi feladat alapján jelest szerzett a hallgató az adott számonkérésen.

Az IMSc pontokat az IMSc programban részt nem vevő hallgatók is elnyerhetik a fentiek szerint.